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1、卫星轨道预报技术在林火监测业务中的应用闫厚 （国家林业局森林防火预警监测信息中心 北京 100714） 廖晓宏 （北京川页电气科技发展有限公司 北京 100714）摘要 无论卫星数据接收系统的站点布设，还是卫星数据接收系统的正常运行，都离不开卫星轨道预报技术的应用。本文详尽介绍了太阳同步极轨气象卫星轨道预报技术，为提高林火监测业务人员的业务理论水平，切实作好卫星林火监测工作提供参考。关键词 林火监测 卫星轨道预报 卫星轨道报 当前，在我国卫星林火监测业务工作中，除北京的林火监测中心建有卫星数据自主接收系统外，其它分中心均采用 DVB-S 方式接收国家气象局卫星地面站的卫星数据。随着国家对生态环
2、境重视程度的不断提高和森林防火事业的快速发展，仅仅采用 DVB-S 方式接收卫星数据的方式越来越不能满足林火监测工作需要，分中心建立卫星数据自主接收系统，与 DVB-S 构成双备份、双保险的工作模式，将能够为今后的林火监测业务提供更加及时、快速、稳定、可靠的火灾监测信息。系统地了解自主接收系统的接收范围和轨道预报方法，有利于更好地发挥监测系统效益，提高林火监测技术人员的自主研发能力和维护水平，从而为接收系统的稳定运行提供更加可靠的技术保障。1 卫星运动基本特点卫星绕地球运行遵循开普勒行星运动定律，其运行的轨迹是一条封闭的椭圆曲线，椭圆轨道平面穿过地心。在林火监测业务中应用的主要是太阳同步极轨气
3、象卫星。这里，极轨是指卫星运行轨迹经过地球南北极上空，太阳同步是指卫星轨道平面绕地球自转轴的旋转方向和角速度与地球绕太阳公转的方向和平均角速度相同。卫星在空间的位置可以用半长 轴 、 偏 心 率 、 倾 角 、 升 交 点 赤 经 、 近 地 点 角 距 和 近 地 点 时 刻 等 参 数 来 描 述 。这些参数都可以从 TBUS 轨道报或 TLE 两行根数轨道报中找到。如图 1，卫星轨道预报涉及的基本参数及概念解释如下：图 1 卫星轨道示意图春分点 - 在地球和太阳的相对运动中，如果假定地球不动，则太阳绕地球运行，当太阳从地球的南半球向北半球运行时，穿过地球赤道平面的那一点叫春分点；升交点
4、- 人造地球卫星绕地球运行，当它从地球南半球向北半球运行时，穿过地球赤道平面的那一点；星下点 - 卫星与地球中心连线在地球表面的交点；历元年 - 轨道报预报的年份；星下点轨迹 - 所有星下点连成的曲线；2近地点时刻 - 即卫星通过近地点的时间；升交点赤经 - 从春分点到地心的连线与从升交点到地心的连线的夹角；近地点幅角 - 又称近地点幅角，就是卫星从升交点到地心的连线与从近地点到地心 的连线的夹角；半长轴 a - 长轴的一半；偏心率 e - 轨道焦距与半长轴（a）之比；倾角 i -在卫星轨道升段时由赤道平面反时针旋转到轨道平面的夹角；平均近地角 - 若卫星通过近地点的时刻为 tp，卫星的平均角
5、速度为 n，则任一时刻的平均近点角 M=n（t-tp） 。2 卫星轨道预报的计算2.1 接收站接收范围的确定建设卫星数据自主接收站，必须根据监测工作需要和拟定站址周围建筑物遮挡情况，选取合适的建站地点和起始接收角度。建站选址的基础是天线接收的范围的计算。如图 2所示，El 为天线最低接收起始仰角。该仰角越小，对同一颗卫星接收的范围越大。El 理论上最小可为 0 度，但由于低仰角会受到到更多电磁环境的干扰，以及穿越大气造成更多的信号衰减，会严重影响图象的质量。另外，为保护天线系统正常运行，会利用机械方法将该仰角限制在一定范围内。因此 El 一般会设定在一个合理的范围。在北京站的林火监测系统中，最
6、低接收起始仰角为 3.5 度，但起收图象质量有时较差，需要根据不同接收情况适当调整起收角度。图 2 接收站接收范围在图 2 中，接收站的接收范围是以接收站为中心，接收站到星下点弧长( 0)为半径组成的球面, 0为接收站到地心的连线与星下点到地心连线的夹角,R 为地球半径（6378.15公里） ，H 为卫星高度， 为卫星到接收站的连线与卫星到地心连线的夹角。根据正弦定理：Sin/R=Sin(90+El)/(R+H) (1)=Sin -1Cos(El)/(R+H)*R (2) 0=180-(90+El)-=90-El- Sin-1Cos(El)/(R+H)*R (3)利用(3)式计算林火监测常用卫
7、星接收范围(设 El=5 )如下:卫星名称 FY1D FY3A NOAA EOS/MODIS HJ-1A/B3卫星高度(H) 860KM 836KM 850KM 705KM 650KM起始仰角(El) 5 5 5 5 5接收范围( 0) 23.58 23.23 23.44 21.20 20.262.2 卫星升交点经度范围的确定在卫星轨道预报过程中，必须首先确定未来时刻有哪颗卫星进入接收站接收范围，而确定卫星未来轨迹的关键是升交点经度。因此，通过计算接收站接收卫星的升交点经度范围，可以预知未来哪颗卫星经过本站接收区域。如图 3，图 3 天线到卫星星下点的弧长设 P 为某一时刻卫星的星下点位置，其
8、经度和纬度为分别为 S和 S；O 为接收站天线位置，其经度和纬度为分别为 0和 0。设 = S- 0 （4）根据球面三角公式：Cos=Sin 0*Sin S+Cos 0*Cos S*Cos (5)取 S= 0 ，得出：= Cos -1(Cos- Sin 2)/ Cos 2 (6)则某接收站接收的经度范围为 = 0 （7）从 TBUS 或 TLE 轨道报中，查出卫星轨道的交点周期 T，轨道倾角 i，计算卫星运动的角速度和接收站纬度到升交点的时间差 t 。地球地球自转角速度： E=0.25068/min (8)卫星运动角速度： n=360/T=3.521/min (9)接收站纬度到升交点的时间差：
9、t= Sin -1(Sin/Sini)/n (10)这里需要注意, Sin-1(Sin/Sini)有两个解, 因此 t 有两个时间，一个为由南向北的升轨,一个为由北向南的降轨。计算交点经度： 0=- Tan -1(Cosi*Tan(n*t)+ E*t (11)利用(11) 式计算林火监测北京站、昆明站、乌鲁木齐站林火监测常用卫星的升交点经度范围：接收站/卫星名称 FY1D、NOAA FY3A EOS/MODIS HJ-1A/B北京（11641 3995）173.07,80.24-14.61,-107.44157.43,95.86-30.24,-91.81154.73,98.57-32.95,-
10、89.11153.50,99.79-34.17,-87.88昆明（10271 2504）134.96,82.26-44.04,-96.74134.57,82.65-44.42,-96.35132.30,84.91-46.69,-94.08131.28,85.94-47.71,-93.054乌鲁木齐（87.595 43818）132.45,65.94-57.95,-124.46131.95,66.44-58.45,-123.96129.06,69.32-61.33,-121.08127.76,70.63-62.64,-119.772.3 卫星星下点经纬度的确定卫星星下点经纬度的确定后，不仅能够让
11、接收天线准确跟踪卫星运动，还能使林火监测业务人员提前预知卫星即将扫描的区域，便于有的放矢地开展火灾监测。从 TBUS 或 TLE 轨道报可以得到卫星轨道的交点周期 T，轨道倾角 i，半长轴 a,卫星高度，升交点时间与经度等参数,由于林火监测常用卫星设偏心率都较小，可以看作近圆轨道，偏心率0，计算过程如下： 卫星运动角速度： n=360/T（/min） (12)地球引力场摄动引起的的轨道平面转动：=-0.007（R/a） 3.5 * Cosi (13)地球地球自转角速度： E=0.25068/min (14)已知升交点经度 0和时间 T0，在 TS时刻卫星星下点经纬度 S、 S： S= 0+ T
12、an-1(Cosi*Tan(n*（T S- T0）)-( E-)* T S- T0） (15) S= Sin-1(Sini*Sin(n*（T S- T0）) (16)2.4 接收天线方位角仰角的确定天线是通过水平（X 轴）和俯仰（Y 轴）分别转动来对准卫星所在方向的，因此，还要根据卫星星下点轨迹计算天线跟踪的方位角和仰角。方位角（A Z）是以天线正北为 0，0360 顺时针旋转；仰角（ El）是水平为 0，指向天顶为 90。接收站经纬度（ 0 0） ，星下点经纬度（ S S） ，如图 3，则：Cos= Sin 0*Sin S+Cos 0*Cos S*Cos（ S- 0） (17)Sin(AZ)=Sin( S- 0)*Cos SSin (18)Tan(El)=( Cos-R/a)/ Sin (19)3 结束语本文介绍的卫星轨道计算模型是以圆或近圆轨道为前提的，如用椭圆计算，则相关模型要复杂的多。从多年的林火监测系统运行实践看，通过该模型计算出的天线跟踪参数能够接收到很好的卫星资料，可以满足林火监测业务需要。参考文献1陈渭民.卫星气象学.气象出版社,20032贺杰 贺小闯 高宇航.极轨卫星天线自动跟踪方法研究.气象水文装备,20063谢静波.用卫星轨道报计算卫星轨道的方法.无线电技术,2003
